综述：类器官在呼吸道病毒研究中的应用：进展与展望

《Molecular Biomedicine》：Organoids in respiratory virus research: advances and perspectives

本综述系统阐述了类器官（Organoids）技术在呼吸道病毒研究中的前沿进展，重点总结了其在构建高仿真感染模型、阐明病毒致病机制、推动高通量药物筛选及疫苗研发方面的独特优势。文章详细介绍了类器官的理论基础、构建方法（包括干细胞来源、3D细胞外基质（ECM）构建、物理化学诱导等）与验证流程，并探讨了其在冠状病毒（如SARS-CoV-2）、流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）等研究中的应用，展望了结合人工智能（AI）与器官芯片（Organ-on-a-Chip）技术的未来发展方向，为呼吸道病毒研究提供了新的精准工具。

　　

类器官技术：理论基础与构建方法

类器官是一种源于干细胞、具备自组织能力的三维（3D）体外培养体系，能够高度模拟原始组织的结构、细胞相互作用和功能。其发展历程可追溯至20世纪初的细胞自组织现象观察，直至2009年，科学家成功利用单个LGR5⁺肠道干细胞培育出具有隐窝-绒毛结构的肠道类器官，标志着该技术的重大突破。类器官的构建通常始于特定的细胞来源。

主要包括多能干细胞（PSCs），如胚胎干细胞（ESCs）和诱导性多能干细胞（iPSCs），以及成体干细胞（ASCs）或组织原代细胞。PSCs可定向分化为特定胚层及器官祖细胞，进而形成类器官；而ASCs则可直接分化为祖细胞并自组织成类器官，更能保留供体的遗传背景和表观遗传特征。

细胞制备完成后，通过基质胶（Matrigel）包埋或3D生物打印等技术将其接种于3D细胞外基质（ECM）中。Matrigel是目前最常用的ECM材料，但其成分不明确、批次间差异大等局限性促使了水凝胶（包括天然与合成类型）及脱细胞基质等新型材料的发展。3D生物打印技术能精确沉积细胞、生长因子和生物材料，构建复杂3D结构，在模拟呼吸道气-液界面等方面展现出巨大潜力。

类器官的诱导培养不仅依赖于ECM提供的生化信号（如生长因子），还受到温度、流体动力学、组织几何形态、基质刚度、气体环境等物理因素的精密调控。气-液界面（ALI）培养能显著增强类器官的细胞分化和功能成熟，更真实地模拟器官与外部环境的生理相互作用。此外，免疫类器官或与免疫细胞共培养的体系，通过整合免疫细胞与组织特异性细胞，大幅提升了类器官的成熟度与功能仿真性，为研究宿主-病原体相互作用和免疫调节机制提供了高度仿生的平台。

器官芯片与微流体系统的结合，通过整合机械力、生化梯度、流体剪切应力等多维刺激信号，进一步提升了类器官的功能成熟度和生理相关性。这种技术能模拟肺泡呼吸样变形、血流动力学环境等，为病毒感染的动态过程研究和大规模标准化检测提供了可能。

类器官的鉴定、形态与功能验证

成功构建的类器官需经过严格验证，以确保其结构功能忠于原始组织。遗传身份认证如短串联重复序列（STR）和单核苷酸多态性（SNP）分析可用于确认来源唯一性和监测遗传漂变。

结构验证涉及形态学评估（如显微镜观察直径、空腔完整性）、组织学分析（如H&E染色验证隐窝-绒毛结构）以及分子标记物检测（如免疫荧光确认细胞极性）。功能验证则需全面评估其分泌、代谢、电生理及对病毒、药物等刺激的分子响应特性，常借助转录组学、代谢组学、单细胞RNA测序（scRNA-seq）等技术。例如，scRNA-seq可揭示SARS-CoV-2感染的肾脏类器官中细胞损伤和去分化情况。

类器官模型在呼吸道病毒感染研究中的应用

呼吸道病毒，如SARS-CoV-2、流感病毒和RSV，持续对全球公共卫生构成威胁。类器官模型因其能高度模拟人体器官复杂微环境，在病毒感染研究中发挥着越来越重要的作用。

呼吸道类器官

呼吸道类器官可根据模拟的解剖结构分为鼻咽类器官、支气管类器官、肺泡类器官和复合肺类器官等。

上呼吸道是病毒入侵的首要部位，鼻咽或气道类器官对研究病毒初始感染具有独特价值。研究表明，SARS-CoV-2可通过与能动纤毛上的ACE2受体结合进入细胞。肺泡类器官，特别是源自肺泡2型细胞（AT2）的类器官，能再现SARS-CoV-2感染引起的肺病理特征。ALI培养系统通过保持生理极性和增强细胞分化，能精确模拟宿主-病原体相互作用，如SARS-CoV-2在肺泡上皮表面的感染会引发炎症表型。复合肺类器官整合近端和远端气道组件，能同时表征病毒在支气管上皮的持续复制和肺泡区域的过度免疫激活，更全面地反映病毒感染动力学。

其他器官类器官模型在SARS-CoV-2研究中的应用

COVID-19患者常出现多器官受累。脑类器官模型揭示SARS-CoV-2具有神经趋向性，可感染星形胶质细胞、神经元等，并引发炎症反应，载脂蛋白E4（ApoE4）遗传风险因子会增强神经元和星形胶质细胞的感染易感性。肠道类器官证实SARS-CoV-2可感染肠道细胞并有效复制，胃肠道是病毒的重要靶器官。肝脏类器官研究表明，ACE2⁺/TMPRSS2⁺的胆管细胞对SARS-CoV-2高度易感，感染会导致胆管细胞直接损伤。肾脏类器官显示肾近端小管上皮细胞高表达ACE2，人重组可溶性ACE2可抑制SARS-CoV-2感染。心脏类器官模型则揭示了SARS-CoV-2感染后内皮细胞分泌CCL2等导致心脏功能障碍的机制。

器官芯片与微流体系统

器官芯片技术通过模拟体内动态平衡的微环境，能够研究多器官系统的相互关联变化。例如，集成肺泡-血脑屏障芯片的微生理系统发现，SARS-CoV-2感染肺泡芯片产生的条件培养基会对血脑屏障芯片产生显著影响。肺芯片模型可用于评估药物（如托珠单抗）缓解屏障损伤的效果，并筛选病毒入侵抑制剂（如阿莫地喹）。

结论与展望

类器官技术的发展显著推动了病毒学研究的进步。当前，类器官在模拟复杂器官解剖连续性、病毒感染引发的过度炎症反应及与宿主免疫系统相互作用方面仍面临挑战。未来，通过深化干细胞分化规律研究、利用微流体系统串联不同类器官芯片构建多器官模型，将极大促进对多器官感染病毒的系统性研究。为实现临床转化，需建立类器官构建协议、形态功能验证以及实验结果可重复性方面的行业共识和评估标准。结合人工智能技术，类器官模型有望成为连接基础研究、药物开发和临床应用的核心平台，为应对呼吸道传染病提供创新解决方案。